Мифы о Вселенной: как квантовая физика изменила наше понимание реальности

С давних времён существовало представление о том, что Вселенная подчиняется строгим законам, которые можно точно предсказать, если обладать достаточным объёмом информации о системе. Например, зная положения и импульсы частиц, можно точно рассчитать, как система будет вести себя в будущем. В этом заключалась идея детерминизма, которая лежала в основе классической физики. Законы Ньютона, законы гравитации и уравнения Максвелла — все они считались полностью детерминированными. Это означало, что если заданы исходные условия, то будущее можно точно предсказать.

Однако с конца XIX века этот взгляд начал разрушаться с появлением квантовой механики. Первым звоночком стал радиоактивный распад. В процессе распада нельзя предсказать, какой конкретно атом распадётся в данный момент. Можно лишь сказать, сколько атомов, вероятнее всего, распадётся за определённый промежуток времени. Это привело к осознанию того, что природа в своей основе вероятностна, а не детерминирована.


Появление квантовой механики показало, что многие процессы можно описать только статистически, без возможности точного предсказания их исходов. Например, в знаменитом эксперименте с двойной щелью, если пропускать частицы через два узких отверстия, можно предсказать общую картину интерференции на экране, но невозможно точно указать, через какую щель пройдёт каждая отдельная частица и где она окажется на экране. Это возможно лишь в рамках вероятностных расчётов.

Та же неопределённость проявляется в экспериментах со спином частиц. Если направить частицы через магнитное поле, то они разделятся на две группы: одна половина будет отклоняться вверх, другая — вниз. Но если изменить ориентацию магнитного поля, предсказать направление каждой частицы становится невозможно — их спин снова случайным образом перераспределяется. И хотя можно предсказать распределение частиц в целом, исход для каждой отдельной частицы остаётся неизвестным до тех пор, пока не будет произведено измерение.

Принцип неопределённости Гейзенберга стал ключевым аспектом новой реальности. Он показал, что невозможно одновременно точно измерить такие параметры, как положение и импульс частицы. Чем точнее измеряется одно, тем больше неопределённость другого. Это подорвало классическое представление о том, что у каждой частицы есть точные и постоянные свойства.

Таким образом, измерение в квантовых системах стало важным фактором. До момента измерения параметры частицы существуют как вероятности, описываемые волновой функцией. Это волнообразное поведение частиц сохраняется до тех пор, пока не будет произведено измерение. В момент измерения волновая функция «схлопывается», и частица принимает конкретное состояние. Такой подход, известный как Копенгагенская интерпретация, долгое время был основным объяснением квантовой природы.

Однако многие учёные, в том числе Альберт Эйнштейн, не соглашались с таким представлением о мире. Эйнштейн не верил, что реальность может быть случайной, и был уверен, что должно существовать детерминированное объяснение. Он утверждал, что Бог не играет в кости, и настаивал на том, что квантовая механика не является полной теорией. Одним из предложений альтернативы стала теория скрытых переменных Луи де Бройля.

Де Бройль предложил идею, что частицы, такие как электроны, обладают не только корпускулярной, но и волновой природой. Он разработал концепцию «пилотных волн», которые должны были направлять частицы через пространство. Согласно этой теории, частицы всегда существовали как материальные объекты с определёнными положениями, но их движение было направляемо квантовыми волнами. Это была попытка вернуть детерминизм в физику, сохраняя при этом волновую природу материи.

Эти идеи получили развитие в работах Дэвида Бома, который в 1950-х годах предложил свою интерпретацию квантовой механики, известную как теория де Бройля-Бома. В его модели «пилотные волны» играли роль направляющего уравнения для частиц. Однако эта теория столкнулась с рядом проблем. Во-первых, она нарушала принцип локальности — в ней было заложено, что информация может передаваться быстрее скорости света, что противоречит общей теории относительности. Во-вторых, теория не могла объяснить классическую механику в пределе больших объектов, что делало её неполной.

Тем не менее, в начале XXI века возникли попытки экспериментально подтвердить идеи пилотных волн. В 2006 году физики Ив Кудер и Эммануэль Форт провели эксперимент, в котором капли масла прыгали по поверхности вибрирующей жидкости, создавая волны. Эти капли двигались через двойную щель, и в результате возникла картина, похожая на интерференцию, наблюдаемую в квантовых экспериментах. На первый взгляд, это казалось подтверждением теории пилотных волн.

Однако дальнейшие воспроизведения эксперимента выявили недостатки. В одном из повторных экспериментов обнаружилось, что, если фиксировать, через какую щель проходит капля, интерференционная картина исчезает, что противоречит квантовым законам. Это означало, что модель Кудера и Форта не может точно воспроизвести поведение квантовых частиц. Позднейшие исследования подтвердили, что аналогия с прыгающими каплями имеет фундаментальные ограничения и не способна заменить квантовую механику.

Таким образом, хотя теории скрытых переменных и пилотных волн остаются интересными альтернативами, они не проходят экспериментальной проверки. Каждая попытка заменить квантовую механику на более «детерминированную» теорию неизменно сталкивается с необходимостью признания квантовой «странности». На сегодняшний день никакая теория, отвергающая неопределённость и нелокальность, не может точно описать поведение квантовых систем.

Именно эта «квантовая странность», в частности феномен квантовой запутанности, стала причиной присуждения Нобелевской премии по физике в 2022 году. Этот феномен, возможно, самый загадочный и парадоксальный аспект квантовой механики, показывает, что Вселенная действительно может обладать свойствами, которые противоречат интуитивным представлениям о реальности.